1. Introducción

La Faja Volcánica Transmexicana, es una provincia activa desde el Mioceno hasta el presente en la que se desarrollaron cuencas intermontanas (e.g. ^{Gómez-Tuena et al., 2005}); una de ellas es la cuenca de México que se localiza en su porción centro-este (19°30’ N, 99° W, 9600 km², 2240 msnm) (Fig. 1A). La actividad volcánica asociada al desarrollo del campo volcánico de la Sierra Chichinautzin cerró el drenaje de esta cuenca hace 1.2 Ma (^{Arce et al., 2013}), lo cual favoreció la acumulación de un importante espesor de sedimentos aluviales, fluviales y el desarrollo de un sistema lacustre (^{Pérez-Cruz, 1988}; ^{Campos-Enríquez et al., 1997}; ^{Arce et al., 2013}). En los sedimentos de este sistema quedó capturado el registro de la historia ambiental de esta región (p.ej. ^{Bradbury, 1989}; ^{Lozano-Garcı́a et al., 1993}; ^{Lozano-García y Ortega-Guerrero, 1998}).

Figura 1 A) Contorno de México señalando la localización de la cuenca de México en el recuadro negro. B) Mapa de la cuenca de México y la zona del lago de Chalco señalada por el recuadro negro. C) Zona del lago de Chalco donde se muestran con triángulos los estudios previos realizados en Chalco (^{Lozano-García et al., 1993}; ^{Caballero y Ortega-Guerrero, 1998}; ^{Herrera-Hernández, 2011}; ^{Lozano-García et al., 2015}. D) Se muestran el sitio de perforación del proyecto Mexidrill con una estrella negra y las perforaciones anteriores con triángulos rojos, el triángulo amarillo indica el área donde se realizó el levantamiento geofísico por sondeo electromagnéticos (^{Bücker et al., 2017}). 

La subcuenca de Chalco se localiza en el sector sureste de la cuenca de México (Fig. 1B), en donde abarca un área de 1200 km², de los cuales la planicie tiene una superficie de 120 km². El régimen hidráulico de Chalco, así como el del resto de la cuenca de México, fue modificado históricamente para evitar inundaciones y mejorar su aprovechamiento agrícola desde épocas prehispánicas, y actualmente continúa transformándose por la expansión de las áreas urbanas y la extracción de agua del subsuelo. Actualmente, sólo existen alrededor de 5 km² de espejo lacustre que se ha formado por un proceso de subsidencia del suelo, durante los últimos 20 a 25 años (^{Cabral-Cano et al., 2010}), y ~30 km² de pastizales y campos agrícolas que son terrenos ejidales de los pueblos originarios de la zona (e.g. Tulyehualco, Tláhuac, Mixquic). La región lacustre de Chalco es una de las pocas zonas sin urbanizar dentro de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México que tiene una población que supera los 20 millones de habitantes. Es una área que en menos de 20 años pasó de ser predominantemente rural a predominantemente urbana, y en donde actualmente habitan poco más de 300 mil personas (INEGI http://www.inegi.org.mx)

La zona del antiguo lago de Chalco es un sitio de particular interés, ya que en sus sedimentos lacustres está registrada la historia climática y geológica de la región de los últimos cientos de miles de años. De acuerdo con las tasas de sedimentación estimadas en estudios anteriores (^{Lozano-Garcı́a et al., 1993}; ^{Caballero y Ortega-Guerrero, 1998}; ^{Ortega-Guerrero et al., 2015}; ^{Torres-Rodríguez et al., 2015}), una secuencia de 300 m de espesor en esta cuenca podría contener el registro sedimentario y climático de los últimos 300000 años aproximadamente. El estudio de registros paleoambientales de largo alcance temporal en las regiones tropicales es de suma importancia para entender los procesos de cambio climático que han impactado a estas latitudes en diferentes escalas temporales, como por ejemplo los ciclos orbitales (e.g. ciclos de Milankovitch), que controlan la variabilidad climática en escala de centenas y decenas de miles de años y que están asociados con las oscilaciones climáticas glaciales-interglaciales que han caracterizado los últimos 2 Ma de la historia del planeta.

2. Estudios iniciales

En los años 1987 - 1989 se llevó a cabo un conjunto de perforaciones (Figura 1C) que permitieron recuperar y analizar los 25 m superiores de la secuencia sedimentaria (^{Lozano-García y Ortega-Guerrero, 1994}, ¹⁹⁹⁸; ^{Urrutia-Fucugauchi et al., 1994}; ^{Caballero y Ortega-Guerrero, 1998}; ^{Ortega-Guerrero et al., 2000}). Los resultados del análisis paleoambiental de las primeras perforaciones confirmaron que en sus sedimentos está preservado un excelente registro paleoambiental, en el que se identificaron cambios importantes en el sistema lacustre, en la cobertura vegetal de la cuenca, así como evidencias de la actividad volcánica pasada y la ocurrencia de paleo-incendios. Posteriormente, en 2008, fueron perforados los 122 m superiores de la secuencia lacustre (^{Herrera-Hernández, 2011}; ^{Ortega-Guerrero et al., 2015}; ^{Torres-Rodríguez et al., 2015}, ^{Lozano-García et al., 2015}) (Figura 1D) en donde se recuperaron sedimentos lacustres en los que dominan facies clásticas (limos y arcillas) con abundantes restos orgánicos (diatomeas, polen, ostrácodos, etc.), intercalados con depósitos volcaniclásticos, siendo los sedimentos lacustres mayormente masivos en los 90 m superiores y laminados de los 90 a 122 m. Finalmente en el 2014 (Figura 1D), se obtuvo el apoyo económico del consorcio “International Scientific Continental Drilling Program” (ICDP, MexiDrill: The Basin of Mexico Drilling Program) y en 2015 de la UNAM (PAPIIT IV00215 “Cambio climático y medio ambiente en la historia del lago de Chalco”) y de la National Science Foundation, de Estados Unidos de América, (NSF 1551311 MexiDrill: The Basin of Mexico Drilling Program) que permitieron llevar a cabo la perforación de 521 m que corresponde a la totalidad de la secuencia sedimentaria lacustre en Chalco, durante los meses de febrero y marzo del 2016.

3. Objetivo

Con base en la información recabada a partir de los estudios previos realizados en la zona, se planteó como meta la recuperación de la totalidad de la secuencia de sedimentos lacustres de la cuenca de Chalco a través de una perforación altamente especializada de recuperación continua de núcleos que alcanzara los depósitos aluviales, fluviales y volcaniclásticos que le subyacen. El estudio de la secuencia sedimentaria permitirá documentar y ampliar el conocimiento acerca de la variabilidad climática de la zona, la historia del cierre de la cuenca, el desarrollo del sistema lacustre, y la actividad volcánica. En particular, este estudio es relevante para las personas que viven en esta región ya que se podrá ampliar el conocimiento sobre la recurrencia e intensidad de la actividad volcánica explosiva a través del estudio de las capas de tefras presentes en la secuencia estratigráfica, que actualmente se extiende solo a los últimos 30000 años (^{Siebe et al., 2005}; ^{Arana-Salinas et al., 2010}; ^{Guilbaud et al., 2015}). Además, estudiar las propiedades físicas de esta secuencia sedimentaria es importante para la modelación de la propagación de ondas sísmicas y de la estructura de la cuenca, así como para mejorar la capacidad de modelación del proceso de subsidencia del terreno que experimenta esta región (^{Cabral-Cano et al., 2010}).

4. Estimación del espesor de sedimentos en la subcuenca de Chalco mediante técnicas geofísicas

Con el fin de estimar los espesores y la arquitectura del paquete sedimentario lacustre en la subcuenca de Chalco y guiar una adecuada selección del sitio de perforación se llevaron a cabo estudios de sísmica activa y pasiva en la zona. Posteriormente, la aplicación de métodos eléctricos permitió caracterizar a las unidades de sedimentos y roca de acuerdo a su densidad, lo que facilitó la selección de la herramienta adecuada para llevar a cabo durante la perforación.

4.1. Técnica de cocientes espectrales H/V

El análisis de sísmica activa resultó muy limitado debido a la escasa penetración de la señal sísmica, por lo que la selección del sitio se guió únicamente por el levantamiento de sísmica pasiva (vibraciones ambientales), cuya metodología se detalla a continuación.

El trabajo de campo cubrió un área de aproximadamente 8 km² y consistió en registrar 30 minutos de ruido sísmico ambiental en 68 sitios de la zona de estudio, divididos en dos mallas equiespaciadas a 250 m y 500 m (Figura 2). Estos registros se tomaron a una frecuencia de muestreo de 128 Hz con un sismógrafo triaxial Tromino con ancho de banda de 0.1 - 300 Hz. El conjunto de datos fue procesado con la técnica de cocientes espectrales H/V considerando la teoría de campos difusos (^{Sánchez-Sesma et al., 2011}). Para estimar los espesores del depósito vulcano-sedimentario y proponer un modelo de velocidad sísmica de ondas de cortante “S” en el área de estudio, se definieron las frecuencias dominantes de cada sitio de medición. Para esto, se calcularon los cocientes espectrales por sitio tomando ventanas de 40 segundos y un traslape del 30 % a lo largo del registro. El cociente espectral H/V final y su desviación estándar asociada se obtuvieron promediando los cocientes H/V de todas las ventanas de tiempo de cada sitio. Las frecuencias dominantes se identificaron de los espectros H/V, y se elaboró un mapa de isofrecuencias, a parir del cual se obtuvo la distribución de espesores del depósito lacustre (Figura 3).

Figura 2 Mapa de localización de los sitios de registro de vibración ambiental (círculos de color amarillo) tomado de ^{Vergara-Huerta, 2015}  

Figura 3 Mapa de distribución de espesores para el depósito lacustre, determinado a partir de la interpretación de los espectros H/V, y la identificaron de frecuencias dominantes, tomado de ^{Vergara-Huerta, 2015}. 

4.2. Técnicas de sondeo por transitorios electromagnéticos y sondeos magnetotelúricos

En febrero de 2016, el Departamento de Sismotectónica y Exploración Geofísica de la CFE, en cooperación con la empresa Geotem Ingeniería S.A. de C.V., llevó a cabo un levantamiento geofísico en la cercanía al sitio de perforación (Figura 4A y 4B) para caracterizar los contactos geológicos en la zona (^{Bücker et al., 2017}). Esto se logró a través de la aplicación de sondeos por transitorios electromagnéticos (TEM) y sondeos magnetotelúricos (MT). El resultado más importante fue la correlación estrecha entre la resistividad eléctrica obtenida a través de los métodos electromagnéticos (TEM, MT) y las unidades principales de la columna estratigráfica de los sedimentos recuperados en las perforaciones realizadas en el 2008 (^{Herrera-Hernández, 2011}; ^{Torres-Rodríguez et al., 2015}). Los modelos de ambos métodos mostraron un primer aumento de la resistividad eléctrica a una profundidad aproximada de 100 a 120 m, el que representa un cambio de composición del sedimento que puede estar relacionado al incremento de sedimentos volcaniclásticos y/o a la presencia de sedimentos lacustres finamente laminados. Un segundo aumento de la resistividad a profundidades entre 300 y 400 m corresponde con otro cambio importante en la composición del sedimento, asociado con el límite inferior de los depósitos de sedimentos lacustres y la presencia de depósitos volcaniclásticos y coladas de basalto. Los contactos inferidos del estudio geofísico ayudaron en la toma de decisiones sobre las herramientas para la perforación y fueron corroborados durante la perforación.

Figura 4 A) Medición de la variación del campo eléctrico y magnético para el sondeo magnetotelúrico (MT) usando el equipo ADU-07e (Metronix GmbH). B) Bobina de inducción de banda ancha para la medición del componente vertical del campo magnético. 

5. Perforación

El sitio de perforación seleccionado (19°15´26”N, 98°58´32”W) (Figura 1C-D) se encuentra dentro de la zona que de acuerdo con los datos geofísicos representó el depocentro de la cuenca de Chalco. El sitio es actualmente parte del ejido de Tulyehualco, y se localiza al SW del nuevo cuerpo lacustre que se ha formado por subsidencia, a un costado de la línea de pozos del ramal Mixquic-Santa Catarina (Figura 1D).

La perforación fue realizada por la compañía Major Drilling de México, empleando sistemas de perforación HQ y NQ con broca de diamante (Figura 5A y 5B). El tipo HQ fue utilizado para recuperar los sedimentos lacustres, relativamente suaves; esta herramienta perfora un pozo de 96.1 mm de diámetro y obtiene núcleos de sedimento de 63.5 mm de diámetro y aproximadamente 1.5 m de largo, que fueron recuperados dentro de en una camisa de plástico (Figuras 5C y 5D). La herramienta NQ fue utilizada para perforar el material más resistente (rocas y materiales volcaniclásticos), esta herramienta perfora pozos de 75.7 mm de diámetro y obtiene núcleos de roca de 47.6 mm de diámetro y aproximadamente 1.5 m de largo, los cuales se recuperan en una caña de metal y se traspasaron a cañas de plástico del mismo diámetro. Durante la perforación se utilizaron bentonita en polvo y polímero biodegradable de celulosa, para aumentar el desempeño del fluido de perforación (estabilización del pozo, lavado de recortes, sellado de las fracturas de pozo, etc.). Las operaciones de perforación iniciaron el 23 de febrero y terminaron el 30 de marzo de 2016. Durante este tiempo se perforó de manera continua (24 horas/7 días a la semana).

Figura 5 A) Torre de perforación, tuberías y separador de lodos. B) Extracción del tubo de plástico de la herramienta HQ. C) y D) Cada tubo de plástico fue limpiado, etiquetado y posteriormente pesado. 

Con el fin de obtener la secuencia sedimentaria lacustre lo más completa posible, fueron perforados tres pozos con traslape en las secciones longitudinales colectadas para posteriormente correlacionar las tres secuencias y construir una secuencia maestra continua. De esta manera se colectaron tres secuencias sedimentarias paralelas: secuencia A, de 10 a 420 m; secuencia B de 6 a 310 m y secuencia C de 10 a 320 m y de 409 a 520 m. Debido a que en ninguno de los tres pozos (A, B y C) perforados por Major Drilling se recuperaron los sedimentos más superficiales, entre el 31 de marzo y el 2 de abril se perforó un cuarto pozo (secuencia D) empleando un equipo de perforación de pistón con motor de percusión con el que se recuperaron los primeros 17 m de la secuencia. De esta manera durante la campaña de perforación se recuperaron un total de 1152 m de sedimento, y se llegó a una profundidad máxima de 520 m.

Durante la perforación de la secuencia A se realizó la documentación geofísica del pozo para obtener información sobre las propiedades físicas verticales de los sedimentos, a través de los registros de susceptibilidad magnética, resistividad eléctrica, espectro de rayos gamma y velocidad de ondas P (Figuras 6A, 6B).

Figura 6 A) Sensor para registrar las variaciones de susceptibilidad magnética, resistividad eléctrica, espectro de rayos gamma y velocidad de ondas p en el pozo A. B) Estación de registro para medición de los parámetros físicos. C) Equipo Geotek con anillo Bartington MS2C en el que se midió la susceptibilidad magnética en los núcleos recuperados. 

Además, durante la perforación del pozo B fue realizado un muestreo especial para estudios geomicrobiológicos y de metagenómica para lo cual se usó un trazador fluorescente que se añadió al fluido de perforación con el objetivo de controlar el nivel de infiltración del fluido de perforación en las muestras. Las muestras fueron colectadas de los primeros 100 m de la secuencia de este pozo y en cada tramo se tomaron muestras del fluido de perforación y del sedimento de la parte central y periférica de la zapata al momento en que los núcleos eran recibidos por el equipo científico. Para los análisis de metagenómica se colectaron alícuotas de 2 cm³ que fueron transferidas a bolsas de plástico y refrigeradas en una hielera y trasladadas al Instituto de Geología donde se congelaron a -80 °C.

Durante la perforación de todos los pozos, los núcleos recuperados y documentados en el sitio de perforación diariamente, y fueron trasladados al Instituto de Geología, de la UNAM, donde todas las secciones fueron montadas en un equipo automatizado GEOTEK en el que se realizaron mediciones de susceptibilidad magnética a intervalos regulares de 4 cm con un sensor de anillo Bartington (MS2C) (Figura 6C). Las gráficas generadas con estos datos fueron muy importantes para las decisiones diarias durante la perforación de los pozos, ya que permitieron ubicar de manera general el tipo de sedimento (lacustre vs. volcánico) que se había atravesado y establecer correlaciones con los pozos anteriores.

En los laboratorios del Instituto de Geología también se realizaron preparaciones tipo frotis del material de la zapata de cada núcleo. Estas preparaciones se revisaron diariamente para identificar el tipo de sedimento que se estaba recuperando así como su contenido de microfósiles como diatomeas, ostrácodos, polen, etc.

6. Resultados preliminares

La recuperación de la secuencia sedimentaria de Chalco fue en general alta (> 85 %), variando a lo largo de cada sondeo (Figura 7). En el sondeo 1A el porcentaje de recuperación global alcanzó el 88 % obteniéndose la mejor recuperación entre los 30 a 80 m y de 310 a 420 m de profundidad. En el sondeo B, el porcentaje de recuperación global fue de 91 % con la mejor recuperación entre 30 a 90 m. En el sondeo C se obtuvo un porcentaje de recuperación global del 92 % con la mejor recuperación entre los 30 a los 260 m. A partir de la correlación entre tres sondeos se construirá la secuencia maestra.

Figura 7 Porcentaje de recuperación de la secuencia de Chalco de las perforaciones de los sondeos A, B y C. 

Se presentan ejemplos de algunas secciones de la secuencia sedimentaria (Figura 8A - 8F) donde según la textura del sedimento, fueron recuperadas arcillas limosas café con oozes de diatomeas con carbonatos masivos, sedimentos finamente laminados con oozes de diatomeas café claro y rojizos, sedimentos volcaniclásticos con cenizas y lapilli.

Figura 8 Secciones de la secuencia de Chalco. A) limos arcillosos, laminados, café obscuro y claro, con carbonatos. B) limos arcillosos, laminados y tefras claras. C) limos arcillosos, finos, rojizos, laminados. D) arcillas limosas finamente laminadas con oozes de diatomeas. E) limos arcillosos, negros, laminados, con tefras. F) lapilli. 

De acuerdo con los datos de susceptibilidad magnética (Figura 9) y con las observaciones realizadas en campo, aproximadamente los 260 m superiores de la secuencia están dominados por materiales clásticos de grano fino (Figura 8A - D), primordialmente de origen lacustre ricos en microfósiles, con valores relativamente bajos de susceptibilidad magnética, que están intercalados con horizontes de origen volcánico que se observan como máximos en la susceptibilidad magnética (Figura 8F). Entre 260 y 300 m los valores de susceptibilidad magnética aumentan y los sedimentos están constituidos por material clástico más grueso intercalados con horizontes finos, posiblemente intercalaciones de depósitos de origen fluvial y lacustre. Por debajo de los 300 m los depósitos están constituidos por unidades volcaniclásticas con intercalaciones de flujos de lava y conglomerados aluviales, localmente alterados por hidrotermalismo entre 512 y 520 m de profundidad.

Figura 9 Registro de susceptibilidad magnética de los pozos A, B y C. Los datos se muestran en escala logarítmica. 

7. Perspectivas

Desde el punto de vista paleoclimático, la secuencia de Chalco, es un acervo único ya que puede contener la historia climática de varios ciclos glaciales - interglaciales. La información que se obtenga a través del estudio de la secuencia lacustre permitirá ayudar a probar varias hipótesis en relación al clima, la paleohidrología, y la dinámica de cambios abruptos durante los interglaciales y los glaciales. También permitirá aportar nuevas perspectivas sobre el comportamiento de los parámetros atmosféricos que controlan al clima de esta región, como son la intensidad del monzón mexicano y la posición latitudinal de la zona de convergencia intertropical.

Puesto que los sedimentos lacustres acumulados continuamente a través de miles de años en el lago de Chalco contienen indicadores geoquímicos, geológicos y ecológicos, a través de su análisis contaremos con información sobre el cambio ambiental inducido por los parámetros orbitales. En particular el análisis palinológico de los sedimentos permitirá reconocer las paleocomunidades de plantas que existieron y los cambios en su composición asociados a los cambios climáticos. Analizando el contenido de macropartículas de material carbonizado en los sedimentos, se podrán identificar los eventos de incendio. El estudio de las diatomeas, ostrácodos y otros fósiles preservados en estos sedimentos permitirá reconstruir la historia de este cuerpo lacustre, desde su formación hasta el momento actual, y permitirá identificar etapas de niveles lacustres más o menos profundos, asociados con climas más o menos húmedos dentro de los ciclos glaciales - interglaciales. Las variaciones en la composición geoquímica y mineralógica de los sedimentos permitirán reconocer los procesos de meteorización, erosión y diagénesis ocurridos durante la historia de su deposición. El conjunto de indicadores permitirá reconstruir los periodos de aridez y de humedad a lo largo de la secuencia sedimentaria.

El estudio de los componentes y las características geoquímicas de las tefras presentes en la secuencia permitirá identificar las potenciales fuentes de emisión, así como complementar el registro de la actividad volcánica y contribuir al establecimiento de los periodos de recurrencia para los distintos estilos de actividad eruptiva de la zona.

La comprensión de los mecanismos causantes del rápido cambio climático global en el pasado es crítico para la evaluación de los impactos del cambio climático actual y futuro. En particular, el papel de los trópicos en el cambio climático es un tema poco explorado y Chalco que es un sitio tropical de altura, podrá convertirse en el registro paleoclimático más importante de Norte América.